厦门大学张陈涛、郑高峰教授团队CEJ：突破“固”有限制——三层核壳纳米纤维电解质构筑高速、高安全锂离子通道- 大数跨境

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厦门大学张陈涛、郑高峰教授团队CEJ：突破“固”有限制——三层核壳纳米纤维电解质构筑高速、高安全锂离子通道

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2025-12-31

导读：厦门大学张陈涛、郑高峰教授团队CEJ：突破“固”有限制——三层核壳纳米纤维电解质构筑高速、高安全锂离子通道

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文章信息

具有快速锂离子输运和优异热稳定性的三层核壳纳米纤维复合准固体电解质

第一作者：李晓瞳

通讯作者：张陈涛*，郑高峰*

单位：厦门大学

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研究背景

固态电池因其高能量密度和优异的安全性，被视为下一代储能技术的核心方向。其中，聚合物基固体电解质凭借良好的柔韧性和界面相容性，在柔性电子、电动汽车等领域展现出巨大潜力。但其产业应用发展，仍受限于两大关键瓶颈：离子电导率偏低与热稳定性不足。

静电纺丝纳米纤维具备空间连续、立体贯通的优点，可为锂离子传感提供丰富的通道，从而提升离子电导率；同时，连续的纳米纤维也进一步提升薄膜的机械强度，为结构稳定性提供了新技术途径。但现有静电纺丝仍主要采用共混方式，其技术局限明显：无机填料（如陶瓷颗粒）在纤维基体中易团聚，难以形成连续、高效的离子传导网络；而直接添加的阻燃剂则会随机分散在纤维内部，不仅可能阻塞离子迁移通道，还可能引发与锂金属电极的副反应。如何在静电纺丝体系中同时实现填料有序排布、阻燃剂有效封装、离子通道连续贯通，是当前该领域一个重要的研究方向。

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文章简介

近日，厦门大学张陈涛助理教授&郑高峰教授研究团队在Chemical Engineering Journal上发表题为“Triple-layer core-shell nanofibrous composite quasi-solid electrolytes with fast lithium-ion transport and excellent thermal stability”的研究论文。该研究通过三层同轴静电纺丝技术设计了一种具有功能分区的三层核壳纤维结构，成功构筑了一种具有快速锂离子传输通道与优异热稳定性的复合准固体电解质，该策略为发展下一代高能量密度、本质安全的固态锂电池提供了新的材料设计思路和可扩展的制备方案。

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本文要点

要点一：三层同轴静电纺丝实现精准结构设计

该研究最核心的创新在于提出了“功能空间分区”的设计理念，并借助三层同轴静电纺丝技术将其完美实现。将锂离子导体（LLTO）、聚合物骨架（PVDF）和阻燃剂（TPP）分别精准限定于纤维的外壳、中间层和芯层，从根本上解决了传统共混纺丝中填料团聚、阻燃剂干扰离子传输的痼疾，实现了“协同增效”的功能集成。

图1. CQSE制备工艺、结构特征与离子传输的示意图。（a）LLTO陶瓷填料的制备工艺；（b）CQSE的制备工艺；（c）TPP/PVDF/LLTO CQSE中锂离子传输路径的示意图，以及（d）TPLP CQSE

要点二：多层次表征证实设计成功与功能起源

SEM、TEM及元素Mapping结果，确证了LLTO在纤维表面形成连续、均匀的包覆层，构成了三维离子导通网络。XRD与FT-IR分析则从机理上阐明：LLTO的引入显著降低了PVDF的结晶度，并通过路易斯酸碱相互作用促进锂盐解离，这是离子电导提升的微观基础。

图2. CQSE的结构表征 (a) LLTO纺丝前驱体PVP纳米纤维的扫描电镜图像； (b) LLTO纳米颗粒； (c) TPLP纳米纤维； (d) TPLP纳米纤维的透射电镜图像； (e) TPLP纤维直径分布； (f) CQSE截面扫描电镜图像； (g)-(i) TPLP膜中La、Ti和O元素的EDS面分布图。

图3. LLTO和CQSE的材料特性表征。（a）LLTO的X射线衍射图谱，（b）不同LLTO含量CQSE的X射线衍射图谱，（c）SPE和CQSE的傅里叶变换红外光谱，（d）应力-应变曲线。

要点三：全方位电化学测试展现卓越性能

得益于独特的连续陶瓷离子通道和优化的聚合物/填料界面，该复合准固态电解质实现了电化学性能的综合提升。其在室温下兼具高离子电导率（6.68×10^-4 S cm^-1）与高锂离子迁移数（0.61），展现出宽电化学稳定窗口（>4.5 V）。基于该复合准固态电解质组装的锂对称电池可稳定循环超过400小时，而LiFePO₄全电池则表现出优异的倍率性能和长循环寿命（1C下200圈容量保持率92.7%），综合性能显著优于传统共混体系

图4. 固态电池的电化学性能。（a）Arrhenius曲线，（b）阻抗图（30℃），（c）Li/TPLP/Li极化前后电池的极化曲线和阻抗图（插图），（d）锂传输数，（e）电化学窗口（LSV）曲线，（f）界面阻抗图。

图5. Li/Li对称电池的循环稳定性。（a-b）锂对称电池在0.2 mA cm^-2电流密度下的电压分布。（c）TPLP（d）和TPP/PVDF/LLTO 循环400小时后锂金属表面的SEM图。

图6. LFP/Li电池的循环稳定性。（a）倍率性能和（b）不同倍率充放电电压曲线。（c）1C下的循环性能和（d）不同循环次数充放电电压曲线。（e）LFP/TPLP/Li在3C下的循环性能。

要点四：协同作用赋予电解质本质安全特性

通过结构设计赋予了该复合准固态电解质本质安全的特性。热稳定性测试表明，外壳的LLTO层作为刚性热屏障，能将电解质在150°C下的热收缩率抑制在9.25%的超低水平。同时，芯层封装的TPP阻燃剂在遇热时发挥作用，使电解质在明火中能在5秒内自熄灭。这种“外壳抑缩、芯层阻燃”的协同机制，为固态电池提供了从物理形变到燃烧链式反应的双重安全保障。

图7. CQSE的热稳定性和阻燃性能测试。（a）TGA测试，（b）在不同温度下处理30分钟后的膜的照片，（c）热收缩率，（d）明火点燃测试和（e）TPLP防火机制示意图。

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文章链接

Triple-layer core-shell nanofibrous composite quasi-solid electrolytes with fast lithium-ion transport and excellent thermal stability

https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.17223

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通讯作者简介

张陈涛助理教授简介：2010年本科毕业于哈尔滨工业大学，2017年博士毕业于厦门大学，期间在新加坡国立大学联合培养。2021年加入厦门大学，现为萨本栋微米纳米科学技术研究院助理教授。从事智能传感与智能机器人的研究与应用工作，兼任机器人检测认证联盟技术委员会安全认证技术专家。主持国家重点研发计划子课题、中央引导地方科技发展资金项目，国家乳业技术创新中心关键技术攻关项目等课题，主持企业产学研合作项目20余项，完成多款智能机器人、视觉检测系统的研发工作，研究成果应用于国家电网、宁德时代、金龙客车、舒华体育、伊利集团、厦门钨业等头部企业。发表学术论文60余篇，授权国家发明专利70余项，获得省部级科技进步奖1项，国家级学会科技进步奖两项，参与制定国家标准2项。

郑高峰教授简介：厦门大学萨本栋微米纳米科学技术研究院科学仪器所所长。从事静电纺丝、固态锂电、柔性电子集成等领域的研究工作。福建省杰出青年基金获得者，福建省高层次人才，福建省“雏鹰计划”青年拔尖人才，厦门市“双百计划”领军型创业人才。获福建省科技进步奖二等奖、厦门市科技进步奖二等奖、中国发明协会发明创业奖创新奖一等奖各1项。主持国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金、福建省产学研究重点项目、福建省自然科学基金等课题。发表论文160余篇，获授权发明专利50余项，出版专著1本，参与撰写著作专章3篇。